中國實驗核時鐘穩定性超越全球首兩款裝置六倍

中國的實驗性核時鐘已成為全球首兩個運行裝置中更為穩定的選擇。清華大學的研究人員發現，他們的時鐘運行穩定性約為維也納競爭系統的六倍。兩隊的時鐘均以被困於晶體中的鈾-229 原子核為基礎，該方法將計時機制由電子轉移至原子核。這一結果標誌著精密計時新類別的又一步進展。核時鐘還可能為物理學家提供一種測試自然基本法則的新方式。

清華團隊發現，分別製作的晶體產生了幾乎相同的時鐘信號。他們的測量結果在每十兆中大約相符三個部分。該發現表明信號並不依賴於某一種特殊晶體。該結果亦與科羅拉多州 JILA 研究人員的早期測量結果相符。負責清華研究的丁士謙表示，該結果增強了可重複核時鐘的論據。研究人員最終有可能將這項技術轉化為實用的時間標準。

核時鐘的穩定性與信號特性

然而，該時鐘仍未達到最佳原子時鐘所實現的穩定性。原子時鐘在過去 70 年中定義了精確的計時標準。原子時鐘跟蹤電子能量狀態的變化，而核時鐘則監測原子核內部的轉變。這一差異可能顯得尤為重要，因為電子佔據的區域範圍遠大於原子核，而原子核則小得多且更為緊密。

鈾-229 為核計時提供了一個罕見的優勢。其原子核能夠對紫外光作出反應，並且其能量可以用當前鐳射達到。大多數原子核需要更高的能量才能實現相似的轉變。科學家們在 2024 年成功利用鐳射驅動鈾-229。清華系統通過將鍺蒸氣加熱至 1,112 華氏度來生成紫外光。研究人員將光束導向一個小型的鈾摻雜晶體，該晶體的大小小於一粒米，但卻包含約一千萬億個鈾原子核。

維也納核時鐘裝置則使用了一個包含約 200 倍於鈾原子核的晶體。研究人員通過 6 英里的光纖將其信號與原子時鐘進行比較。維也納的研究人員發現，時鐘的信號會根據鐳射通過晶體的位置輕微變化。這種波動導致該裝置每天保持稍微不同的時間。改進晶體可能有助於研究人員減少這一問題。

核時鐘的潛在應用與挑戰

核時鐘能夠探測物理現象，因為原子核的較小規模可能減少來自外部電場和磁場的幹擾。較低的幹擾最終可能幫助核時鐘實現極高的準確性。核時鐘還能幫助研究人員調查暗物質。物理學家可以比較核時鐘和原子時鐘，以探測基本物理常數的微小變化。維也納的研究人員已經在一項暗物質搜尋中使用了他們的時鐘，該實驗未產生暗物質的證據。

研究人員仍面臨重大材料和工程挑戰。鈾-229 極為稀缺，限制了新晶體設計的實驗。更好的晶體可以更均勻地分佈鈾並減少內部缺陷。更強大的鐳射也可以改善時鐘性能。目前，原子時鐘支持的系統依賴於極其精確的計時，包括衞星導航。核時鐘需要顯著提升性能，才能挑戰這些已建立的系統。研究人員最終希望將核時鐘推向專業實驗室之外，緊湊的設計可以使極高的計時精度適用於更廣泛的應用。

該研究發表於《自然》期刊。

核時鐘技術的未來發展與挑戰

中國的核時鐘技術顯示出顯著的穩定性，這不僅推動了精密計時的發展，還可能改變物理學的研究方式。由於核時鐘能夠減少外部幹擾，未來有潛力在暗物質研究和基本物理常數的測試中發揮重要作用。然而，鈾-229的稀缺性以及材料和工程挑戰仍然是主要障礙。若能克服這些挑戰，核時鐘可能會在更廣泛的應用中取代傳統的原子時鐘，帶來新的技術突破。